6. lecke. Jármű főegységek jeladói III.

iDevice ikon A lecke célja
A jármű főegységek jeladóinak, és azok működési módjának megismerése.

iDevice ikon Követelmények
A hallgató legyen képes:
  • saját szavaival elmondani, hogyan működnek az egyes jeladók és érzékelők,
  • saját szavaival elmondani, hogyan lehet nyomatékot mérni torziós tengely segítségével,
  • saját szavaival elmondani, hogyan lehet a magnetoelasztikus elv alapján erőt mérni!
  • felsorolásból kiválasztani az egyes szenzorok és jeladók működési elvét,
  • adott érzékelő működési elve alapján eldönteni, hogy az milyen mennyiség érzékelésére alkalmas.

iDevice ikon Időszükséglet
A tananyag elsajátításához körülbelül 60 percre lesz szüksége.

iDevice ikon Kulcsfogalmak
  • kormány-elfordulás szenzor,
  • ütközés- vagy gyorsulás-lassulás szenzor,
  • erőmérés,
  • magnetoelasztikus elv,
  • nyomatékmérés,
  • perdületszenzor,
  • kormányelfordulás-szenzor,
  • szintmérő szenzor,
  • eső-fény szenzor.

iDevice ikon 6.1 Kormány-elfordulás szenzor
Tevékenység:

fogalmazza meg, hogyan működik a kormány-elfordulás szenzor!


Elvileg a szögelfordulás szenzorok valamennyi változata lehetséges megoldást kínál. A következőkben bemutatandó kormány-elfordulás szenzor változat, optikai sorompó elvén működik. Kormányoszlopra szerelik fel. Vázlatos elrendezése az 1. ábrán látható. A kormányzás szögét méri.



1. ábra. Kormány-elfordulás szenzor

Ha a kormánykerék elfordul, akkor a forgó kódtárcsa nyílásain fény jut az optikai érzékelőre, és ez feszültséget hoz létre. A kormánykerék elfordulása során az elfordulás mértékétől függően keletkezett feszültség jellemzi a kormány elfordulásának szögét, és ez hordozza az információt a vezérlőegység számára.

iDevice ikon 6.2 Ütközés- vagy gyorsulás-lassulás szenzorok
Tevékenység:

fogalmazza meg, hogyan érzékeli a lassulást az ütközésszenzor!


Számos megoldás létezik. Ezek a szenzorok a gépjármű elején és oldalaiban vannak elhelyezve. A gépjármű elején lévő érzékelők mindig duplán állnak rendelkezésre. A tömegtehetetlenség elve alapján működnek. Például egy lehetséges megoldás, hogy ütközéskor egy súlytárcsa rugó ellenében elmozdul, és egy érintkezőt zár, amely működteti a légzsákot. A légzsák passzív védelmet jelent a gépjárművezető vagy utas részére. 25 km/h sebesség feletti frontális ütközéskor egy gázgenerátor 30 ms alatt felfújja a légzsákot.

Korszerűnek lehet tekinteni a kapacitásváltozás elvén működő megoldást. Ebben az esetben egy szilíciumtömeg tehetetlensége váltja ki ütközéskor a kapacitásváltozást.
A légzsák működtetésének blokkvázlatát a 2. ábra mutatja.



2. ábra. Légzsák működésének blokkvázlata

iDevice ikon 6.3 Erőmérés
Tevékenység:

jegyezze meg, mit értünk magnetoelasztikus mérési elven, és ez hogyan használható fel erő mérésére!

Az erőmérő jeladók alkalmazhatósága gépjárművekben széles skálájú.

A mérés célja lehet:
  • tengelyterhelés,
  • hajtó- és fékezőnyomaték,
  • kormány- és kormányszervo nyomaték,
  • pedálerő,
  • súlyterhelés,
  • beszorulás elleni védelem elektromos ablakemelőknél,
  • stb.
A mérés magnetoelasztikus elven történik. Erő hatására a testekben húzó- és nyomó feszültségek jönnek létre. A mechanikai feszültség hatására megváltozik az anyag relatív mágneses permeabilitása (μr), lásd 3. ábra. (A relatív permeabilitás mértékegység nélküli szám, amely megmutatja, hogy a mágneses indukció hányszor lesz nagyobb, ha a teret nem vákuum , hanem valamilyen anyag tölti ki.) A permeabilitás-változások váltakozó mágneses tér alkalmazásával jól detektálhatók, de figyelembe kell venni, hogy a mágneses tér anyagba történő behatolása frekvenciafüggő. A mérési eredményt csak az a mechanikai feszültség idézi elő, amely a mágneses tér által behatolt tartományban van.

Mérés során egy tekercset helyeznek el az erőhatásnak kitett, mérendő testen. Mivel változik a mechanikai feszültséggel rendelkező test relatív mágneses permeabilitása (μ), ezért változik a tekercs L önindukciós tényezője. Az önindukciós tényező változását váltakozó villamos feszültség mérésére vezetjük vissza.



3. ábra. Magnetoelasztikus mérési elrendezés


iDevice ikon 6.4 Nyomatékmérés
Tevékenység:

fogalmazza meg, milyen elven lehet szögméréssel forgatónyomatékot mérni!


A forgatónyomaték mérésekor az érzékelőket az erőátvitelbe kell beiktatni. A gépjárművek esetében a jeladóba vezetett erőket nagyon pontosan kell mérni.

A forgónyomaték szenzoroknál szög és mechanikai feszültségmérő módszereket különböztethetünk meg. A szögelfordulást mérő eljárásoknál egy bizonyos hosszúságú torziós tengelyre van szükség, melynél a torziós szög meghatározható. A kormány nyomatékérzékelésére főleg a szögmérési elvet alkalmazzák. Szögmérés esetében a torziós tengely mindkét végén egymástól független inkrementális (4. ábra) fordulatszám szenzort helyeznek el, és mérik az elfordulást.
Az inkrementális forgójeladók általában mechanikai, optikai, vagy mágneses érzékelés elvén működnek. Az eszköz kialakulásakor elsősorban mechanikai, majd később optikai elven működő eszközöket gyártottak. Napjainkban egyre nagyobb számban jelennek meg a mágneses elven működő forgójeladók.

Az optikai elv esetében egy fényforrás (pl. LED) által kibocsátott fény áthalad például egy üvegtárcsa sugár irányban elhelyezett vonalai közötti átlátszó résen. A tárcsa ellentétes oldalán egy fényérzékeny eszköz érzékeli a tárcsán átjutó fényt. Kimenetén feszültség impulzus sorozat jelenik meg. A mágneses elven működő inkrementális forgójeladókban szintén a tengelyhez rögzített tárcsa elfordulását érzékelik. A mágneses mező változását Hall elemmel mérik.



4. ábra. Inkrementális tárcsa
M = constans l 1 - φ2) ,
ahol M a forgatónyomaték,
l a tengely hossza,
φ1 és φ2 a tengely két végének szögelfordulása.

iDevice ikon 6.5 Perdület-szenzor
Tevékenység:

jegyezze meg a perdület-szenzor működséi elvét!

A perdületsebesség-érzékelők (girométerek) az autó függőleges tengelye körüli elfordulást érzékelik. Hasznos információt adnak kisodródásnál, illetve kanyarban. További alkalmazási területe van légzsák-vezérlő egységekben és borulás esetén.


Korszerű megoldásnak tekinthető a Coriolis-elv alapján működő rezgő girométer. (CVG = Coriolis Vibrating Gyros).

A mérés kiértékelése kapacitív úton történik fésűs struktúra segítségével (5. ábra).
Az 1-es és 2-es számmal jelölt két fésűs kialakítású elektród között (az ábrán a kékkel és a pirossal látható részek), valamint a 2-es és 3-as számmal jelölt elektróda között változik a kapacitás. A 2-es és 3-as elekródák között változik a távolság a Coriolis erő hatására, ha van Ω szögelfordulás. A 3-as elektróda fixen van. A 3-as és a 2-es elektródának a távolsága változik, mert a 2-es elektróda zöld körrel jelölt papírlapra merőlegesen hajlik el. Ezért a Cdetektáló kapacitás értéke változik.



5. ábra. Perdület-szenzor vázlatos részlete

Navigáció esetében a piezoelektromos hangvilla perdület-szenzort alkalmazzák. Működés során a hangvillát rezgésbe hozzák (kb. 2 kHz). Amikor az autó egyenes pályán halad, akkor a Coriolis gyorsulás nem hat a hangvillára, kanyarodáskor viszont igen, megváltoztatja a hangvilla rezgési síkját. Ez piezoelemekben villamos váltakozó feszültséget kelt, melyet az elektronika juttat el a navigációs számítógéphez.

iDevice ikon 6.6 Szintmérő-szenzor
Tevékenység:

fogalmazza meg a kapacitív és az ultrahangos szintmérés elvét!


Szintmérő-szenzorral olaj, fékolaj, hűtővíz, üzemanyag, ablakmosó folyadék szintjelzését mérhetik. Korábbiakban mozgó alkatrésszel mérték az említett jellemzőket, manapság viszont a mérőeszköz nem tartalmaz mozgó alkatrészt, így megbízhatóságuk jóval nagyobb.


Folyadékszint mérésére elterjedt megoldás a kapacitív, illetve ultrahangos kivitel.


Kapacitív elvű méréskor a fegyverzetek közötti kapacitás változik meg, ha csökken a folyadék mennyisége. A kapacitás függ attól, hogy a fegyverzetek között levő anyag eredő dielektromos állandója (permittivitása) mekkora. A 6. ábránál látható, hogy két sík elektróda között az εr2-vel jellemezhető dielektrikum magassága csökken, akkor az εr1-el jellemezhető anyag jobban kitölti a fegyverzetek közötti teret. ε0 a vákuum, εr1 a levegő, εr2 pedig a folyadék dielektromos állandója (permittivitása). Az eredő kapacitást 2 darab párhuzamos kondenzátor eredőjeként számíthatjuk ki.



Az A1 és A2 a szemben lévő felületek nagysága, d pedig a köztük lévő távolság.
A folyadékszint változásakor az A1 és A2 felületek változnak. Ezért változik az eredő kapacitás, mely jellemző a folyadék szint magasságára.



6. ábra. Kapacitív folyadékszint mérő


Ultrahangos kivitel esetén a parkolást elősegítő rendszerhez hasonlóan ultrahangos távolságmérő szenzorokat alkalmaznak. A tartály teteje és a folyadékszint közötti távolságot mérik. Ezek a távolságérzékelők olyan piezoelektromos elemek, melyek képesek ultrahang keltésére, és képesek a folyadék felületéről visszavert ultrahang érzékelésére.

iDevice ikon 6.7 Eső-/fény szenzor
Tevékenység:

fogalmazza meg, hogyan működik az esőszenzor!


Az eső-/fény szenzorok a visszapillantó tükör közelében a szélvédő belső oldalán helyezkednek el. Az esőszenzor feladata, hogy indítsa el az ablaktörlőt, és az esőmennyiségnek megfelelően vezérelje a törlés sebességét.

Az esőszenzor esetében egy világítódióda fényt bocsát ki a szélvédő-üvegre. A meghatározott szögben beeső fény a fénytörésnek megfelelően az üveg-levegő határrétegről visszaverődik, és a visszavert fény egy fotodiódába kerül. Amennyiben vízcseppek találhatók a szélvédőn, akkor a fény egy része szóródik, így kevesebb fény jut az azt érzékelő diódába. Ez a változás indítja el az ablaktörlőt (7. ábra).



7. ábra. Esőszenzor szélvédő üveghez


Az esőszenzor mellé fényszenzort is helyeznek, melynek funkciója a környezeti fényviszonyok detektálása. Ez például praktikusan felhasználható sötétedés esetén, illetve alagútba történő behajtásnál. A fényszenzor feladata, hogy sötétedés esetén automatikusan lámpát kapcsoljon.
A szenzor kivitelezésekor egy szenzorban több fotodiódát alkalmaznak.

Kiegészítő tananyag
Néhány gondolat a fényérzékeny szenzorelemekről


A fotóelemek, fotódiódák és a fotótranzisztorok működése között elvi különbség nincs, csak üzemmódjukban különböznek egymástól. Elvi működésük alapja a fotóelektromos effektus.

A fotoellenállás egy olyan passzív elem, melynek megvilágítás hatására csökken az ellenállása. Alapanyaga félvezető. Másik elnevezése fotokondukciós cella. Fény hatására elektron – lyuk párok képződnek, mely a vezetőképességet növeli.

Anyagai:
  • Kadmium-szulfid-szelenid (CdSSe) az emberi szem érzékenységét jól követi. A kadmium-szelenid (CdSe), a kadmium-szulfid (CdS) érzékenysége szintén a látható fény tartományába esik, de nem az emberi szem spektrális érzékenységét adja vissza.
    Példaként érdemes megemlíteni, hogy gyakorlatban a CdS fotoellenállás értékei különböző megvilágítás esetén:
„sötét” ellenállása > 2 MΩ,
„normál” ellenállása ~ 3 kΩ,
„napfény” ellenállása ~ 120 Ω.
  • Szilícium (Si), germánium (Ge). Érzékenysége az infravörös közeli tartományba esik.
  • Infravörös tartományban érzékeny fotoellenállás például az ólom-szulfid (PbS), indium-antimonid (InSb)
Fotoellenállás működtetése általában feszültségosztó ellenállás hálózatban történik. Kapcsolási rajza a 8. ábrán látható. Az RF ellenállás értéke megvilágítás hatására csökken, így feszültség értéke az RF fotóellenálláson is kisebb lesz.



8. ábra. Fotóellenállás feszültségosztó hálózatban

A fotódióda „pn” átmenetes eszköz. Ez azt jelenti, hogy a IV vegyértékű alapanyagot, például szilíciumot „p” réteg kialakítása esetén III vegyértékű anyaggal szennyezik, míg „n” réteg kialakítása esetén V vegyértékű anyaggal. Ez a két réteg egymással érintkezve pn átmenetet képez. Fény hatására fotoáram generálódik. A fotódióda jelölése a 9. ábrán látható.



9. ábra. Fotodióda jelképi jelölése


A fotodióda áramát feszültséggé alakítják, és kerül további feldolgozásra.

A fototranzisztor „npn” átmenetű 3 rétegből álló eszköz. A fény hatására keletkezett fotoáram a tranzisztor erősítése miatt felerősítve jelenik meg a kimeneten. Működése csak szűkebb megvilágítás-tartományban lineáris.


Önellenőrző kérdések
1. Jelölje meg, hogy milyen jellemző érzékelése történik a következő elven: egy súlytárcsa rugó ellenében elmozdul, és zár egy érintkezőt.
Erő.
Nyomaték.
Lassulás (ütközés).
Perdület.
Folyadékszint.



2. Jelölje meg, milyen elven mérjük a kormánykerék elfordulásának szögét!
Egy fényforrás és egy optikai érzékelő között egy kódtárcsa mozdul el. A tárcsa résein átjutó fény az elfordulással sebességével arányos feszültséget kelt az optikai érzékelőben.
Egy fényforrás és egy optikai érzékelő között egy kódtárcsa mozdul el. A tárcsa résein átjutó fény az elfordulással arányos feszültséget kelt az optikai érzékelőben.
A kormánykerék egy torziós tengelyt forgat. A tengely két végén mérjük a szögelfordulást. A szögek különbsége arányos a kormány elfordulásának szögével.
A kormánykerék egy torziós tengelyt forgat. A tengely két végén mérjük a szögelfordulást. A szögek összege arányos a kormány elfordulásának szögével.



3. Jelölje meg, milyen elven működik a magnetoelasztikus erőmérés!
Az erőhatásnak kitett tekercs relatív mágneses permeabilitása, ezzel együtt önindukciós tényezője változik. A mágneses tér változtatásával érzékeljük az önindukció változását.
Az erőhatásnak kitett tekercs önindukciós tényezője változik. A tekercs körül elhelyezkedő mágnese tér változása alapján érzékeljük az önindukció változását.
Az erőhatásnak kitett test relatív mágneses permeabilitása, ezzel együtt önindukciós tényezője változik. A test körül elhelyezkedő tekerccsel érzékeljük az önindukció változását.
Az erőhatásnak kitett test relatív mágneses permeabilitása, ezzel együtt a test körüli tekercs önindukciós tényezője változik. A tekerccsel érzékeljük az önindukció változását.



4. Jelölje meg az alábbiak közül azt az állítást, amely a legpontosabban írja le, milyen elven működik az eső/fény szenzor, amely fotodiódát és világító diódát tartalmaz!
Ha víz van a szélvédőn, akkor a világítódióda által kibocsátott fény útja megváltozik, nem a fotodiódába verődik vissza, ennek hatására indul be az ablaktörlő.
Ha víz van a szélvédőn, akkor a világítódióda által kibocsátott fényből a fotodiódába kevesebb fény verődik vissza, ennek hatására indul be az ablaktörlő.
Ha víz van a szélvédőn, akkor a víz a világítódióda által kibocsátott fényt több fotodiódába szórja szét, ennek hatására indul be az ablaktörlő.
Ha víz van a szélvédőn, akkor a világítódióda által kibocsátott fényből több verődik vissza a fotodiódába, ennek hatására indul be az ablaktörlő.



5. Jelölje meg, az alábbiak közül melyik állítás írja le legpontosabban a kapacitív folyadékszint-mérés elvét!
A folyadékba két síkkondenzátor merül. A fegyverzetek közötti folyadékszint magassága befolyásolja a kondenzátorok kapacitását. Kapacitások különbségéből lehet a folyadékszint magasságára következtetni.
A folyadékba két síkkondenzátor merül. A fegyverzetek közötti folyadékszint magassága befolyásolja a kondenzátorok kapacitását. Kapacitások különbségéből lehet a folyadékszint magasságára következtetni.
A folyadékba egy síkkondenzátor merül. A fegyverzetek közötti folyadékszint magassága csökkenti a kondenzátor kapacitását. Kapacitás értékéből lehet a folyadékszint magasságára következtetni.
A folyadékba egy síkkondenzátor merül. A fegyverzetek közötti folyadékszint magassága befolyásolja a kondenzátor két részének kapacitását. Kapacitás értékéből lehet a folyadékszint magasságára következtetni.



iDevice ikon
6. Ismertesse, hogyan működnek az alábbi szenzorok:
  • kormány-elfordulás szenzor,
  • ütközés- vagy gyorsulás-lassulás szenzor,
  • perdületszenzor,
  • kormányelfordulás-szenzor,
  • szintmérő szenzor,
  • eső-fény szenzor.

iDevice ikon
7. Fogalmazza meg, hogyan lehet a magnetoelasztikus elv alapján erőt mérni!

iDevice ikon
8. Fogalmazza meg, hogyan lehet nyomatékot mérni torziós tengely segítségével!